500 kV复合绝缘子串并联间隙结构优化研究

赵 淳，许 衡，赵 深，吴 军，王 斌，苏 杰，任 华

（1.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京211100；2.国网浙江省电力公司金华供电公司，浙江 金华 321000）

500 kV复合绝缘子串并联间隙结构优化研究

赵 淳1，许 衡1，赵 深2，吴 军1，王 斌2，苏 杰1，任 华1

（1.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京211100；2.国网浙江省电力公司金华供电公司，浙江 金华 321000）

运行经验和试验结果表明，现有规程推荐尺寸的并联间隙存在保护失效的情况。提出一种新型的500 kV复合绝缘子串并联间隙，采用单球拍-半跑道形状，XC为700 mm，XP为700 mm。经过高压试验，验证了新型并联间隙接闪雷电和转移疏导电弧的能力；采用ANSYS仿真软件，研究了装设新型并联间隙时绝缘子串表面的电场分布；经过对比和优化，提出采用加装均压环的方式，即在高压端加装一个椭圆形均压环和一个圆形均压环，在低压端加装圆形均压环，提升新型并联间隙均匀电场的能力。

并联间隙；500 kV；结构优化；ANSYS

0 引言

我国电网通过安装线路避雷器、架设避雷线、加强线路绝缘等措施较好地提升了输电线路防雷性能，500 kV及以上电压等级线路雷击跳闸率稳中有降，雷击跳闸重合成功率达90%，雷击故障停运事件显著减少。随着电网结构不断坚强，以及SF6开关设备、微机保护、自动重合闸等装置的普遍应用，“堵塞型”防雷措施一味追求降低雷击跳闸率，显得保守和片面[1-3]。因此，近年来国内外学者对并联间隙这种“疏导型”防雷措施进行了大量研究，提出了绝缘子并联间隙防雷保护方案[4-15]。

并联间隙结构简单且便于安装，作为一种“疏导型”防雷措施[4-6]，在雷击时保护绝缘子免受电弧灼烧损坏，极大地减少了线路运维工作量[2-8]。并联间隙主要起到接闪雷电、转移疏导电弧、改善电场分布三个作用，即雷击时先于绝缘子串接闪雷电，然后将工频电弧导引至远离绝缘子串的方向并稳定燃烧，同时均匀绝缘子串端部电场强度。目前针对并联间隙的相关理论和试验研究主要集中于两方面：一是通过理论和雷电冲击试验研究确定并联间隙和绝缘子串之间的绝缘配合；二是建立并联间隙短路电弧运动仿真模型研究其导弧性能[2]。我国电力系统行业标准也对110 kV、220 kV和500 kV典型形式并联间隙的结构尺寸进行了相关规定，即图1中Z、XC、XP、YC、YP参数，Z0由绝缘子串自身确定。

图1 并联间隙外形结构示意图Fig.1 A sketch of parallel gap structure

我国并联间隙主要运用在35 kV～220 kV线路上，近年来在500 kV线路上也开始进行试点安装。试点运行结果显示，安装并联间隙的500 kV输电线路雷击跳闸重合成功率达到100%，但多次出现绝缘子被雷击闪络后工频续流灼烧的现象，其对绝缘子串的保护成功率仅有80%，远低于其他电压等级线路并联间隙的保护成功率。因此，为确保500 kV线路用并联间隙有效接闪雷电、疏导工频电弧、避免绝缘子串因雷击沿面闪络造成永久性损害，提高重合成功率，笔者提出了一种新型的500 kV复合绝缘子串并联间隙。通过试验，验证其防雷性能；采用ANSYS软件，从电场分布角度对它开展结构优化研究，进一步提高这种并联间隙的适用性。笔者的研究对指导500 kV复合绝缘子串并联间隙结构尺寸设计具有重要参考价值。

1 新型并联间隙

运行经验和试验结果表明，现有标准推荐的500 kV并联间隙仍然不能有效保护绝缘子，雷击时绝缘子串被电弧灼伤的现象时有发生。经过分析发现，标准推荐的500 kV并联间隙上下电极的结构尺寸不够合理，XC、XP数值过小，导致并联间隙在转移疏导电弧时，电弧沿绝缘子串表面闪络几率较大，造成电弧灼伤绝缘子。

笔者提出一种新型结构的并联间隙，如图2所示。采用的是单球拍-半跑道型电极，XC为700 mm，XP为700 mm。具体参数如表1所示。

图2 新型并联间隙结构示意图Fig.2 A sketch of new parallel gap structure

表1 新型并联间隙参数Table 1 Parameters of the new parallel gap

为了研究新型并联间隙的防雷性能，利用国网特高压交流试验基地的冲击电压发生器，对新型并联间隙进行雷电冲击放电特性试验，包括U50%、伏秒特性试验及有效性判别试验。

试验采用结构高度为4 500 mm的FXBW-500/300复合绝缘子，并联间隙空气间隙距离取基准绝缘子的85%，即3 825 mm。上下电极罩入深度的比例为2比1。

在雷电冲击电压作用过程中，采用高速摄像机观测并联间隙的放电路径，确认电弧是否贯穿并终止于并联间隙的电极上，图3所示。若是，则记为有效保护绝缘子一次，将有效保护绝缘子的次数与试验总次数的比值作为并联间隙的有效性。

试验测得新型并联间隙雷电冲击U50%放电电压为2 478 kV；伏秒特性如图4所示，根据并联空气间隙距离与绝缘子结构高度的比例不同，获取了五组伏秒特性，并联空气间隙距离与绝缘子结构高度的比值分别为85%、83.8%、85.1%、85.8%及86.4%；新型并联间隙在3683.28kV及以下的雷电冲击电压作用时，有效性100%。

图3 并联间隙有效保护复合绝缘子Fig.3 The parallel gap protecting the composite insulators effectively

图4 五组新型并联间隙伏秒特性与绝缘子伏秒特性曲线的对比Fig.4 The comparison of Voltage-Time characteristic between five groups of the parallel gap and insulators

通过对比伏秒特性曲线发现，五组不同的并联间隙均能与绝缘子有效配合；试验用的复合绝缘子雷电冲击U50%约为3 033 kV，高于新型并联间隙，即遭受雷击时新型并联间隙能先于绝缘子串闪络，接闪雷电；在雷电冲击电压不高于3 683.28 kV的情况下，新型并联间隙能够在转移疏导电弧时，有效的保护绝缘子串，免于电弧灼烧。试验结果表明，这种新型并联间隙的防雷性能优异，能满足线路运行要求。

2 并联间隙结构优化

并联间隙不仅起到接闪雷电和转移疏导电弧的作用，同时还需要起到均匀电场分布的作用。国内外相关研究表明[9-13]，长期工作情况下，绝缘子端部护套场强有效值应低于4.5 kV/cm，即工频电压下幅值应低于6.36 kV/cm。下面以此为依据，从电场分布角度对新型并联间隙进行优化研究。

2.1 模型建立

利用Ansys建立超高压交流双回单联I型串输电线路的整体三维静电场模型，包括杆塔、复合绝缘子、并联间隙电极、联板、相导线（分裂导线）、悬垂线夹、其他连接金具等。其中，杆塔为SZ452型，呼高33 m，塔高为64.6 m；导线为四分裂导线，外直径为26.82 mm，分裂间距为450 mm；复合绝缘子长度4 420 mm。整体模型图和并联间隙的安装示意图如图5、图6所示。

图5 ANSYS仿真整体模型图Fig.5 The integrated model in ANSYS

图6 并联间隙安装位置Fig.6 The install location of parallel gap

2.2 仿真结果

根据2.1建立的仿真模型，以中相分析为例，对中相导线、均压环、高压端电极、联板、悬垂线夹和高压端金具加载500 kV线路相电压最大值峰值Um=449.073 12 kV，其他两相按相序加载-Um/2电位，对杆塔、外部空气边界、低压端电极和低压端金具等施加零电位。重点关注的部位为绝缘子端部护套上电场的最大值。

仿真结果如表2所示。绝缘子低压端护套处最大电场为9.96 kV/cm；绝缘子高压端护套处最大电场为39.84 kV/cm。可见，只安装新型并联间隙的情况下，绝缘子护套上最大电场在高压端护套处，大小为39.84 kV/cm，远远大于6.36 kV/cm，新型并联间隙均匀电场的能力亟需优化。

表2 只安装并联间隙时各部位电场值Table 2 Electric field value of each part,only installed parallel gap

为了对比，笔者在相同条件下，对单独的复合绝缘子串、装设均压环时复合绝缘子串这两种情况时的电场分布进行仿真。结果如表3。

表3 单独的复合绝缘子和装设均压环时各部位电场值Table 3 Electric field value of each part when separate composite insulator and with installed grading ring

对比表2、表3发现，与单独的复合绝缘子串相比，安装新型并联间隙后，绝缘子串端部护套上的电场分布有所降低，高压端最大电场强度降低了约33%，低压端最大电场强度降低了约32%。

与装设均压环时复合绝缘子串相比，安装新型并联间隙后，绝缘子低压端护套上最大电场强度约为装设均压环时电场强度的两倍；绝缘子高压端护套最大电场强度约为装设均压环时电场强度的六倍。

可见，新型并联间隙虽能够起到一定的均匀电场的作用，但是由于新型并联间隙要确保电极在牵引电弧时，保证不灼烧到绝缘子串，所以形状上与导则推荐的电极不同，均匀电场的能力亟需加强。采用加装均压环的方式，提升新型并联间隙均匀电场的能力。

2.3 结构优化设计

下面研究均压环的加装方式。

经过2.2的仿真结果发现，单独加装新型并联间隙时，绝缘子串上电场分布的最大点在高压端，所以首先在高压端加装一个均压环，进行电场仿真。加装的均压环为椭圆形均压环，管径50 mm，长轴环径500 mm，短轴环径300 mm，罩入深度200 mm。

结果如表4、图7、图8所示：绝缘子低压端护套上电场最大值为10.39 kV/cm，高压端护套上电场最大值为19.44 kV/cm，绝缘子护套电场最大值仍然高于6.36 kV/cm。

表4 并联间隙加装高压端均压环时各部位电场值Table 4 Electric field value of each part when parallel gap installed grading ring at high voltage side

对比表4和表2发现，在高压端加装一个均压环以后，绝缘子串端部护套表面的场强值有一定程度的改变。高压端的电场值降低了50%左右，低压端的电场值略有升高。

对比表4和表3发现，在高压端加装一个均压环以后，虽然高压端的电场分布有所降低，但是与单独装设均压环相比，仍然相差较大。

图7 并联间隙加装高压端均压环时上下电极电场分布Fig.7 The electric distribution of electrode when parallel gap installed grading ring at high voltage side

图8 并联间隙加装高压端均压环时绝缘子护套截面电场分布Fig.8 The Electric Distribution of insulators when parallel gap installed grading ring at high voltage side

基于此，设想在低压端和高压端再各加装一个圆形均压环。高压端圆形均压环管径50 mm，环径105mm，罩入深度0mm；低压端圆形均压环管径50mm，环径115 mm，罩入深度0 mm。

仿真结果如表5、图9、图10所示：绝缘子低压端护套处最大电场为3.87 kV/cm；绝缘子高压端护套处最大电场为5.73 kV/cm。此时，绝缘子护套上电场最大值小于6.36 kV/cm，满足实际运行要求。

表5 加装3个均压环后各部位电场值Table 5 Electric field value of each part when three grading rings installed

图9 加装3个均压环后上下电极电场分布Fig.9 The electric distribution of electrode when three grading rings installed

对比表5和表2发现，新型并联间隙在加装三个均压环以后（高压端两个、低压端一个），绝缘子串端部护套上的电场分布已经得到了很好的改善。高压端最大电场值降低了85%；低压端最大电场值降低了61%。

对比表5和表3发现，新型并联间隙在加装三个均压环以后（高压端2个、低压端一个）后，绝缘子串端部护套电场分布甚至优于单独装设均压环时的复合绝缘子串端部护套电场分布。

3 结论

1）导则推荐电极存在保护失效的情况，绝缘子串被电弧灼烧现象时有发生，其Xc、Xp的取值有待改进；

2）提出的新型并联间隙，上电极采用单球拍型，Xc为700 mm，Yc为429.2 mm，管径30 mm；下电极采用半跑道型，Xc为700 mm，Yc为214.6 mm，管径50 mm，上翘弯曲半径200 mm，环半径200 mm；

3）提出的新型并联间隙，经过试验得出：雷电冲击U50%放电电压为2 478 kV；加载3 683.28 kV及以下的雷电冲击电压时，有效性100%，接闪雷电和转移疏导电弧能力优异；

4）在高压端加装一个管径50 mm，长轴环径500 mm，短轴环径300 mm，罩入深度200 mm的椭圆形均压环和一个管径50 mm，环径105 mm，罩入深度0mm的圆形均压环，在低压端加装一个管径50mm，环径115 mm，罩入深度0 mm的圆形均压环以后，本文提出的新型并联间隙可将绝缘子串端部护套电场优化至5.73 kV/cm，均匀电场的能力优异。

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Research on Structure Optimization of 500 kV Composite Insulator String Parallel Gap

ZHAO Chun1,XU Heng1,ZHAO Shen2,WU Jun1,WANG Bin2,SU Jie1,REN Hua1
（1.Nari Group Corporation State Grid Electric Power Research Institute,Nanjing 211100,China;2.State Grid Jinhua Power Supply Company,Jinhua 321000，China）

The experimental results and operant experiences show that the parallel gap recommend⁃ed by standard can’t protect the insulators efficacious.A new kind of parallel gap for the 500kV compos⁃ite insulators,with the appearance of racket-half athletic track,was proposed.The XC and XP of the new parallel gap are all 700mm.The lightning protection ability of the new parallel gap was certificated by high-voltage experiments.The electric distribution of insulators with the new parallel gap was researched by ANSYS.After comparison and optimization,it is proposed to install an ellipse and a spherical grading rings on the high-pressure side and a spherical one on the low-pressure side could improve the ability to ameliorate the electric distribution of the new parallel gap.

parallel gap；500 kV；structure optimization；ANSYS

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.036

2016-08-30

赵淳（1985—），男，博士，主要从事电网雷害风险评估技术、输电线路差异化防雷技术等方面的研究工作。